冬季不同天空狀況下三種日照測量儀器比較

益西卓瑪，冉光輝，白宇軒

(1.西藏自治區(qū)林芝市氣象局，西藏 林芝 860000;2.西藏自治區(qū)左貢縣氣象局，西藏 左貢 850000)

0 引言

日照資料應(yīng)用較為廣范，其中之一就是表征當(dāng)?shù)氐臍夂颍貏e是休養(yǎng)地的氣候[1]。國內(nèi)外都把日照觀測作為氣象臺(tái)站地面觀測的重要要素之一。日照是指太陽在一地實(shí)際照射的時(shí)數(shù)。在一給定的時(shí)間，日照時(shí)數(shù)定義為太陽直接輻照度達(dá)到或超過120 W·m-2的那段時(shí)間總和[2]。目前我國氣象臺(tái)站使用人工日照觀測儀器，較普遍的是暗筒式日照計(jì)[3]，其原理利用感光法。隨著觀測自動(dòng)化腳步加快，2019年我國氣象臺(tái)站將實(shí)現(xiàn)日照觀測自動(dòng)化，其儀器為DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)，傳感器采用總輻射—散射輻射測量原理。輻射測量一級(jí)站可通過自動(dòng)跟蹤直接輻射傳感器來觀測日照時(shí)數(shù)，目前沒有正式業(yè)務(wù)運(yùn)行，只作為參考。

本文就安裝在林芝國家基準(zhǔn)站觀測場內(nèi)CHP1型太陽直接輻射傳感器、DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)、暗筒式日照計(jì)(其中CHP1型太陽直接輻射傳感器、暗筒式日照計(jì)在業(yè)務(wù)上使用)這3臺(tái)不同測量原理的儀器，冬季在陰云、多云、晴天等天空狀況下的測量值進(jìn)行分類比較分析，為本站今后取消人工觀測儀器作準(zhǔn)備。

1 工作原理及數(shù)據(jù)獲取

安裝在全自動(dòng)精密雙軸跟蹤儀STS2上的CHP1型太陽直接輻射傳感器，通過直接輻射測量法來計(jì)算日照時(shí)數(shù)，即當(dāng)太陽直接輻射達(dá)到或超過閾值120 W/m2來計(jì)算日照時(shí)數(shù)。DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)，核心感應(yīng)部件是3個(gè)光電感應(yīng)器件，其中一個(gè)光電感應(yīng)器件用于測量總輻射，另外2個(gè)光電感應(yīng)器件用來測量散射輻射，其遮光采用特殊的全分天空方式，使二者不能同時(shí)暴露于陽光下。DFC2型光電式數(shù)字日照傳感器，對(duì)3路光電感應(yīng)器件數(shù)據(jù)采集，計(jì)算得到直接輻射測量值，當(dāng)直接輻射達(dá)到或超過閾值120 W/m2時(shí)，每分鐘獲取日照時(shí)數(shù)測量值，并對(duì)日照時(shí)數(shù)進(jìn)行累加計(jì)算得到日照時(shí)數(shù)。暗筒式日照計(jì)測量原理，利用太陽光通過儀器上的小孔射入涂有感光劑的日照紙上留下的感光跡線，來計(jì)算日照時(shí)數(shù)。

3種儀器的采樣頻率均為每分鐘一個(gè)，本文使用累計(jì)日照時(shí)數(shù)。CHP1型太陽直接輻射傳感器、DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)累積日照時(shí)數(shù)，通過《臺(tái)站地面綜合觀測業(yè)務(wù)軟件ISOS》Ver2.0.0.0版本計(jì)算小時(shí)日照，人工統(tǒng)計(jì)小時(shí)日照時(shí)數(shù)，得到累計(jì)日照時(shí)數(shù)。暗筒式日照計(jì)，通過人工統(tǒng)計(jì)日照紙上的感光跡線累加得出。

2 天空狀況劃分

天空狀況的劃分，以相對(duì)日日照時(shí)數(shù)SD/SD0劃分[1]，即陰云天空為0≤SD/SD0<0.3，多云天空為0.3≤SD/SD0<0.7，晴天天空為0.7≤SD/SD0<1.0。其中SD為當(dāng)?shù)貙?shí)際觀測到的日照時(shí)數(shù)。SD0為當(dāng)?shù)氐娜照湛烧諘r(shí)數(shù)，用天文歷查出。

3 數(shù)據(jù)處理分類

用林芝國家基準(zhǔn)站冬季(2018年12月—2019年2月)，3種不同儀器測量值以日合計(jì)為樣本，按不同天空狀況進(jìn)行處理分類劃分，將相同日期相同的天空狀況儀器的測量值作為有效樣本。統(tǒng)計(jì)得到冬季陰云天空樣本17個(gè)，多云天空樣本35個(gè)，晴天天空樣本32個(gè)。

4 數(shù)據(jù)分析方法

儀器性能主要技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)。(a)自動(dòng)跟蹤C(jī)HP1型太陽直接輻射傳感器靈敏度及擴(kuò)展量為7.91±0.03 μVW/m2，強(qiáng)光精度互換為 1.00，不確定度為±0.38%。(b)DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)測量性能指標(biāo)最大允許誤差 ±10 %/月，年穩(wěn)定性±5 %，傳感器性能光譜范圍400～1 100 nm，閾值直接輻射度120 W/m2，閾值最大允許誤差±24 W/m2。(c)暗筒式日照計(jì)無確定參數(shù)。(a)、(b)兩種自動(dòng)觀測儀器雖主要技術(shù)和參數(shù)不相同，但符合《新型自動(dòng)(氣候)站功能規(guī)格說明書》需求。

自動(dòng)跟蹤直接輻射傳感器，測量太陽日照時(shí)數(shù)的探測方式最符合WMO對(duì)日照時(shí)數(shù)的定義[4-5]，測量準(zhǔn)確度最高。由于我國大多數(shù)臺(tái)站長期使用暗筒式日照計(jì)，本文以暗筒式日照計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)值。統(tǒng)計(jì)不同儀器測量值的日照時(shí)數(shù)絕對(duì)偏差、相對(duì)偏差、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)系數(shù)；用人工儀器所測量的月合計(jì)值的歷史資料，對(duì)其它兩種自動(dòng)日照儀器測量所得的月合計(jì)值做T檢驗(yàn)。

4.1 3種儀器測量值的比較

影響日照總的誤差來源主要因素之一是云量多寡[1]。為了較直觀比較冬季不同天空狀況下3種儀器測量值的差異，繪制圖1。由圖1可以看出冬季晴天狀況下，3種儀器的測量值比較差異??；陰云狀況下，兩種自動(dòng)觀測儀器測量值差異較小，自動(dòng)儀器測量值和人工儀器測量值相比大；多云狀況下，3種儀器測量值差異較大。

具體分析結(jié)果，見表1：從3種儀器測量值的對(duì)比情況看，冬季不同天空狀況下自動(dòng)跟蹤C(jī)HP1型太陽直接輻射傳感器、DFC2型光電式數(shù)字日照測量儀的測量值與暗筒式日照相比絕對(duì)偏差、相對(duì)偏差都非常小。陰云和多云狀況下前者高于后者，晴天狀況下則反之。兩種自動(dòng)觀測儀僅DFC2型光電式數(shù)字日照測量儀在晴天狀況下測量值高于暗筒式日照計(jì)，其余均小于。原因主要是[6]由于暗筒日照計(jì)的日照紙是靠感光跡線記錄測量日照，在短時(shí)間有日照跡線的情況下(不足0.05 h)，按現(xiàn)有的業(yè)務(wù)規(guī)定算作有0.1 h的日照時(shí)間，這是人工測量值獲得的日照時(shí)數(shù)偏多的一個(gè)重要原因。在日常工作中，發(fā)現(xiàn)人為沿感光跡線的鉛筆劃線明顯偏多[7]。感光跡線若有若無不能十分確定是否有日照的時(shí)間段，往往被劃定為有日照時(shí)段，特別是在陰云狀況下，使得人工測量值獲得的日照時(shí)數(shù)更加明顯偏多。

圖1 3種儀器冬季不同天空狀況測量值比較Fig.1 comparison of measured values of different sky conditions of three instruments in winter

晴天狀況下，暗筒日照計(jì)相對(duì)DFC2型光電式數(shù)字日照測量儀測量值偏少，選取DFC2型光電式數(shù)字日照測量儀測量值與暗筒式日照測量值偏差較大的1月19日、1月21日、2月21日，單日測量值比較結(jié)果見表2：暗筒日照計(jì)的日照紙僅是靠感光跡線記錄觀測日照，沒有一個(gè)準(zhǔn)確達(dá)到或超過120 W/m2的閾值概念[8]。在實(shí)際人工測量過程中發(fā)現(xiàn)，在有太陽光照且出現(xiàn)實(shí)際的太陽輻照度達(dá)到或超過閾值120 W/m2時(shí)，日照紙卻沒有記錄日照時(shí)數(shù)的情況。

表1 儀器a、b與c誤差及相關(guān)系數(shù)Tab.1 instrument a, b and c errors and correlation coefficients

注：a為自動(dòng)跟蹤直接輻射傳感器，b為 DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)，c為暗筒式日照計(jì)。

表2 晴天狀況下DFC2型光電式數(shù)字日照儀與暗筒日照計(jì)測量值單日比較(單位：h)Tab.2 comparison of the measured values of DFC2 photoelectric digital irradiometer and dark tube irradiometer on sunny days(Units:h)

4.2 兩種自動(dòng)儀器測量值比較

根據(jù)業(yè)務(wù)《規(guī)范》規(guī)定，DFC2型光電式數(shù)字日照測量儀2019年內(nèi)正式投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。有必要對(duì)兩種自動(dòng)觀測儀器測量值進(jìn)行比較，避免在DFC2型光電式數(shù)字日照測量儀故障或維護(hù)不當(dāng)，造成記錄缺測或異常，用自動(dòng)跟蹤直接輻射傳感器測量值代替，確保記錄的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

以DFC2型光電式數(shù)字日照測量儀測量值為標(biāo)準(zhǔn)，表(略)。經(jīng)比較分析得出：冬季，在不同的天空狀況下絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差都非常??；絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差的大小排列為：陰云>多云>晴天；相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98～0.99。在陰云、多云狀況下自動(dòng)跟蹤直接輻射傳感器測量值大于標(biāo)準(zhǔn)值，晴天狀況下小于標(biāo)準(zhǔn)值。用不同天空狀況下偏差較大的單日作比較。由于直接輻射傳感器分鐘數(shù)據(jù)輸出的是輻照度，需要人工根據(jù)是否達(dá)到或者超過120 W/m2的閾值，處理成分鐘內(nèi)有無日照形式的數(shù)據(jù)[7]。通過處理后，兩儀器在該時(shí)間內(nèi)，如果有日照該分鐘值為1，無日照為0。選取2019年1月1日差異較大的有無分鐘記錄時(shí)段，見圖2：在晴天狀況下，DFC2型光電式數(shù)字日照測量儀測量值，在直接輻射輻照度未達(dá)到120 W/m2或無輻照度時(shí)有記錄；達(dá)到或超過時(shí)無記錄情況，且有記錄明顯多于無記錄。

圖2 冬季DFC2型光電式數(shù)字日照測量儀與自動(dòng)跟蹤直接輻射傳感器晴天狀況有無日照對(duì)比Fig.2 comparison between DFC2 photoelectric digital sunshine measuring instrument and automatic tracking direct radiation sensor on sunny days in winter

陰云、多云狀況下也有此種情況，分析差異較大的2019年1月9日陰云、2019年2月10日多云單日分鐘數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：多云狀況下，直接輻射輻照度射達(dá)到或超過120 W/m2時(shí)，DFC2型光電式數(shù)字日照測量儀有日照記錄的少。直接輻射輻照度未達(dá)到120 W/m2時(shí)，有日照記錄較少。在陰云狀況下這種情況最少。通過比較分析：兩種自動(dòng)觀測儀器的測量值可以相互代替，DFC2型光電式數(shù)字日照測量儀還有不完善的地方需要改進(jìn)。

4.3 顯著性檢驗(yàn)

采用T檢驗(yàn)，顯著水平0.01，用冬季20 a人工儀器所測量的月合計(jì)值歷史資料，對(duì)兩種自動(dòng)觀測儀器測量的月合計(jì)值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。結(jié)果見表3。

由表3可以看出，兩種自動(dòng)觀測儀器月測量值在冬季差異不顯著，表明冬季兩種自動(dòng)觀測儀器的測量值，在取消人工觀測儀器后，資料可以合并使用。

表3 T檢驗(yàn)(顯著水平為0.01的標(biāo)準(zhǔn)值為2.85)Tab.3 t test (a standard value of 2.85 with a significant level of 0.01)

具體方法：計(jì)算人工儀器測量值與自動(dòng)觀測儀器測量值的差值(百分比)，用1減去差值，確定合并使用取消人工儀器所獲取的資料的換算系數(shù)，用人工儀器所獲取的資料乘以換算系數(shù)[9]。

5 結(jié)論與建議

①冬季3種儀器測量值對(duì)比絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差，直接輻射傳感器測量值在陰云、多云、晴天狀況下比暗筒式日照計(jì)低，從大到小的順序?yàn)榍缣?陰云>多云；DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)僅晴天狀況下測量值比暗筒式日照計(jì)高，其余則低，大小順序?yàn)榍缣?多云>陰云。

②冬季CHP1型太陽直接輻射傳感器和DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)測量值對(duì)比結(jié)果看，冬季兩種自動(dòng)儀器測量值可以相互代替；DFC2型光電式數(shù)字日照測量儀還有不完善的地方，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

③顯著性檢驗(yàn)結(jié)果：冬季兩種自動(dòng)觀測儀器的測量值，在取消人工觀測儀器后資料可以合并使用。

④現(xiàn)行臺(tái)站使用《地面觀測業(yè)務(wù)軟件》日照數(shù)據(jù)來源只有日照傳感器，應(yīng)恢復(fù)直接輻射來源選項(xiàng)。避免DFC2型光電式數(shù)字日照測量儀故障或維護(hù)不當(dāng)，造成記錄缺測或異常時(shí)，輻射一級(jí)站可用自動(dòng)跟蹤直接輻射傳感器測量值代替，確保資料的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

⑤嚴(yán)格按照業(yè)務(wù)規(guī)定對(duì)CHP1型太陽直接輻射傳感器和DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)的日常巡視和維護(hù)。冬季發(fā)生雨、雪、露、霜、霧等天氣時(shí)，應(yīng)及時(shí)擦除直接輻射進(jìn)光筒界面和DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)光學(xué)鏡筒上的雨雪和凝結(jié)物。